高精度S-DADC中的数字抽取滤波器设计
吴笑峰1，刘红侠2，李迪2，胡仕刚1，石立春2
(1. 湖南科技大学 信息与电气工程学院，湖南 湘潭，411201；
2. 西安电子科技大学 微电子学院 宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室，陕西 西安，710071)
摘 要：
摘 要：设计1个应用于高精度sigma-delta模数转换器(S-DADC)的数字抽取滤波器。数字抽取滤波器采用0.35 mm工艺实现，工作电压为5 V。该滤波器采用多级结构，由级联梳状滤波器、补偿滤波器和窄带有限冲击响应半带滤波器组成。通过对各级滤波器的结构、阶数以及系数进行优化设计，有效地缩小了电路面积，降低了滤波器的功耗。所设计的数字抽取滤波器通带频率为21.77 kHz，通带波纹系数为±0.01 dB，阻带增益衰减120 dB。研究结果表明：该滤波器对128倍过采样、二阶S-D调制器的输出码流进行处理，得到的信噪失真比达102.8 dB，数字抽取滤波器功耗仅为49 mW，面积约为0.6 mm×1.9 mm，达到了高精度模数转换器的要求。
关键词：
中图分类号：TN432 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2010)03-1037-05
Design of digital decimation filter for high resolution S-DADC
WU Xiao-feng1, LIU Hong-xia2, LI Di2, HU Shi-gang1, SHI Li-chun2
(1. School of Information and Electrical Engineering, Hunan University of Science and Technology,
Xiangtan 411201, China;
2. Key Laboratory for Wide Band-Gap Semiconductor Materials and Devices of Ministry of Education,
School of Microelectronics, Xidian University, Xi’an 710071, China)
Abstract: A multistage digital decimation filter for high resolution sigma-delta analog-to-digital converter (S-DADC) was designed. The filter was fabricated by a 0.35 mm process and operates at a voltage of 5 V. The filter consists of a cascade-integrator-comb (CIC) filter, a compensation filter and narrow transition-band finite impulse response (FIR) half-band filter. Due to the optimal design of the architecture and order and coefficient of filters at various levels, the decimation filter effectively reduces the circuit area and power dissipation. The decimation filter has pass band of 21.77 kHz, pass band ripple coefficient of ±0.01 dB and stopped band attenuation of 120 dB. Experimental results show that by processing the bit stream from a 2-order Σ-Δ modulator with an oversampling ratio of 128, a signal-to-noise-distortion ratio (SNDR) of 102.8 dB is obtained for the filter. The filter has a good performance and its dissipation powder is only 49 mW. The occupied die area is about 0.6 mm×1.9 mm. The filter well meets the demand of high resolution S-DADC.
Key words: S-DADC analog-to-digital converter; modulator; decimation; digital filter
S-DADC现已成为高精度ADC[1]设计的一种切实可行的解决方案。S-DADC由S-D调制器和抽取滤波器组成，S-DADC中调制器的基本原理是过采样和噪声整形。在S-DADC中，需要采用数字抽取滤波器对调制器的输出数据进行抽取，将原来的过采样频率降低到奈奎斯特采样率，并同时将模拟信号转换成数字信号。数字抽取滤波器的主要作用是移除量化噪声，降低采样频率和抗混叠。本文的主要目标是设计1个应用于18位二阶S-DDC中的数字抽取滤波器。数字抽取滤波器的性能参数如下：输入信号采样频率为6.144 MHz，输出信号采样频率为奈奎斯特率即48 kHz，降采样率为128，通带频率为21.77 kHz，阻带增益频率为26.23 kHz，通带波纹系数为±0.01 dB，阻带增益衰减120 dB。由于数字抽取滤波器对整个S-DADC的面积和功耗有非常重要的影响[2-4]，在此，本文作者采用多级结构[5-7]的实现形式，并对各级滤波器的面积和功耗进行最大程度优化。
1 整体结构
多级结构可以极大地减小滤波器的阶数，因此，本文采用多级结构(如图1)来达到降采样的目的。设计中，同时根据最终的设计目标，采用一些特殊的滤波器来进一步减小面积和功耗。
图1 数字抽取滤波器结构
Fig.1 Structure of digital decimation filter
在设计S-DADC时，由于第1级抽取系数比较大，通带只占输出抽样频率的很小部分，因此，第1级滤波器可以采用1种特殊的滤波器即级联梳状(Cascade of integrators comb, CIC)滤波器[8]。它可以大大减小第1级滤波器的阶数，也使得整体设计简化很多。虽然第1级梳状滤波器的面积很小，但梳状滤波器在通带内有衰减，这就需要在第2级补偿带内衰减，因此，第2级采用CIC补偿滤波器。CIC补偿滤波器实际上是1个FIR滤波器，其降采样率为2。第3级采用半带滤波器。半带滤波器的一半系数为0，另外一半系数对称，这就降低了第3级滤波器阶数，第3级滤波器降采样率为2。通过分析可以得到各级滤波器的输入输出采样频率、通带、阻带边界频率及降采样率，如表1所示。
表1 各级滤波器的指标
Table 1 Performance of filters at various levels
2 数字抽取滤波器设计
2.1 梳状滤波器的设计
梳状滤波器是一种在高速抽取或差值系统中非常有效的单元，主要用于无线通信和S-DADC中。采用多级级联梳状滤波器的结构来优化第1级滤波器的频率响应。CIC滤波器的传递函数为：
其频率响应为：
其中：M为梳状滤波器的降采样率；N为梳状滤波器级联的个数，它的频率响应如图2所示(以M=8为例)。一般来说，在对L阶、过采样率为M的S-D模拟调制器进行降频时，梳状滤波器的级联个数要达到L+1以上，才能产生足够的噪声衰减[9]。由图2可知：梳状滤波器在通带内会衰减，因此，第2级滤波器用补偿滤波器来实现。设定梳状滤波器的输出频率为奈奎斯特采样率的4倍，其原因是：若输出采样频率太高，则会增大后级滤波器的阶数，进而增大面积和功耗；若输出采样频率太低，则相当于增加了梳状滤波器自身的“瓣数”，而通带边界不变，很明显，通带频率Fp处的衰减会增大，同时，也使得通带边界“靠近”阻带边界，增大通带内噪声。
图2 级联梳状滤波器的频率响应(M=8, N=4)
Fig.2 Frequency response of CIC filter (M=8, N=4)
根据上面分析，确定本文的级联梳状滤波器的结构为：级联个数N=5，降采样率M=32。
2.2 CIC补偿滤波器的设计
为了补偿CIC滤波器对通带的衰减，第2级采用CIC补偿滤波器。CIC补偿滤波器是1种FIR滤波 器。设计补偿滤波器就要根据FIR滤波器的设计方法进行设计。本文采用切比雪夫最佳逼近法来设计CIC补偿滤波器。对这种结构进行设计时，一般是参考Mcclallan的Remez算法进行迭代，求出滤波器的系 数[10]。可以调用Matlab中的Remez函数来设计，也可调用Matlab8.0 filter design toolbox中的CIC补偿滤波器模型来设计[11]。CIC补偿滤波器频率响应如图3所示。从图3可见：补偿滤波器在通带内有凸起，能起到一定的补偿作用，但需要和CIC滤波器级联来看最终的补偿结果。
图3 CIC补偿滤波器的频率响应
Fig.3 Frequency response of CIC compensation filter
根据表1中的CIC滤波器设计参数：降采样率为32，微分延时(硬件设计时的反馈延时)为1。据补偿滤波器的边界频率和降采样率来设计相关的补偿滤波器，可以得到相应的补偿滤波器。它与CIC滤波器以及两者级联(Cascade filter)以后的频率响应如图4所示。从图4所示CIC滤波器和CIC补偿滤波器的级联结果来看，求得的补偿滤波器可以很好地补偿CIC filter在通带内的衰减，能达到设计的目标。
由Matlab运算得到CIC补偿滤波器，它共有22阶，各阶系数见表2。从表2可以看出：CIC补偿滤波器的系数是对称的，在其22阶的系数中，只有11个不重复的系数。在硬件实现时，这个特点可以使本级滤波器的面积减小一半。
1—CIC滤波器；2—Cascade滤波器；3—CIC补偿滤波器
图4 CIC滤波器、CIC补偿滤波器和Cascade滤波器的
频率响应
Fig.4 Frequency response of CIC filter, CIC compensation filter and Cascade filter
表2 CIC补偿滤波器的系数
Table 2 Coefficient of CIC compensation filter
2.3 半带滤波器的设计
在设计最后一级滤波器时，发现只需要2倍降采样的滤波器即可，而半带滤波器可以满足这种要求，它的近一半系数为0。因此，相对于能达到同样效果的普通FIR滤波器来说，半带滤波器乘法单元减少一半。因此，最后一级滤波器采用半带滤波器[12]。半带滤波器的频率响应为：
其半带滤波的单位脉冲响应为：
FIR滤波器的单位脉冲响应有对称性[13]，因此，半带滤波最多只有N/4+1个不重复系数。与补偿滤波器一样，半带滤波器也属于FIR滤波器。考虑到半带滤波器的特点，在用切比雪夫逼近法设计半带滤波器时，可以简化设计。假定需要设计1个长度为N的半带滤波器，当(N-1)/2为奇数时(若为偶数，则h(0)=h(n)=0，相当于1个N-2的半带滤波器)，设计的通带边界、阻带边界和波纹系数分别为ωp，ωc和δp。首先用等波纹设计1个(N-1)/2的普通FIR滤波器g(n)，其通带波纹系数为2δp，通带边界系数为2ωp。由于2ωc＞π，故可以将这个g(n)的阻带边界系数设为π。定义：
(5)
则有
(6)
其中：n=0, 1, …, N-1。根据G(n)的参数求出g(n)，然后，根据公式(6)得到h(n)的系数，它们的频率响应如图5所示。
采用Matlab8.0/simulink/filter design toolbox中的Halfband滤波器模型设计更方便。最终得到的159阶Halfband滤波器，系数的有效数为40个。
图5 G(n)与H(n)的频率响应
Fig.5 Frequency response of G(n) and H(n)
3 芯片测试结果
整个芯片采用Chartered 0.35 mm CMOS工艺实现，工作电压为5 V。
模拟调制器部分和数字降采样滤波器部分使用隔离环进行隔离，防止数字部分的噪声影响模拟电路部分。CIC补偿滤波器和半带滤波器的系数采用CSD (Canonic signed digit)码实现，以实现滤波器系数最大程度的优化。电路使用移位器和加法器实现。使用逻辑分析仪对模拟调制器输出测试端口的信号进行数据采集，并使用MATLAB软件进行频谱分析，可得调制器输出频谱图如图6所示。从图6可见：当输入信号为-4 dB(频率为6 kHz)时，在带宽24 kHz内，信噪失真比 (SNDR)为102.8 dB，有效位数为16.79位。使用相同的方法，经过降采样滤波，所得信号频谱如图7所示。从图7可见：所设计的数字降采样滤波器通带截止频率为21.77 kHz，过渡带为4.5 kHz，通带波纹系数为±0.01 dB，阻带增益衰减120 dB。对芯片的测试结果表明：当工作电压5 V时，所设计的抽取滤波器部分功耗仅为49 mW，面积约为0.6 mm×1.9 mm。
图6 调制器的测试频谱图
Fig.6 Testing frequency spectrum of modulator
输入信号为-4 dB，频率为6 kHz，信噪失真比为102.8 dB，有效位数为16.79位
图7 数字滤波器输出频谱图
Fig.7 Output frequency spectrum of digital decimation filter
4 结论
(1) 采用Chartered 0.35 μm CMOS 工艺实现了一种用于高精度Σ-ΔADC多级多采样率结构的数字抽取滤波器。该数字抽取滤波器的带宽为21.77 kHz，输入采用频率6.144 MHz，降采样率为128。对滤波器的系统结构进行了设计，在确定采用多级结构之后，分别对各级滤波器的结构、阶数以及系数进行优化设计。
(2) 在满足滤波器的设计目标下，采用了最优的选择。测试结果表明，数字降采样滤波器组的设计符合预期的要求。
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收稿日期：2009-08-10；修回日期：2009-10-21
基金项目：国家自然科学基金资助项目(60206006)；教育部新世纪优秀人才计划项目(NCET-05-0851)；教育部科技创新工程重大项目培育资金资助项目(708083)；西安应用材料创新基金资助项目(XA-AM-200701)
通信作者：吴笑峰(1974-)，男，湖南涟源人，博士研究生，讲师；从事高速高精度模数转换器设计研究；电话：15829738218；E-mail: willow_wxf@hotmail.com
